含GFRP筋預應力混凝土管樁抗剪性能試驗研究

吳 平, 郭 楊, 朱大勇

(1.安徽省建筑科學研究設計院,安徽 合肥 230001; 2.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009)

含GFRP筋預應力混凝土管樁抗剪性能試驗研究

吳 平1,2, 郭 楊1, 朱大勇2

(1.安徽省建筑科學研究設計院,安徽 合肥 230001; 2.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009)

文章介紹了含玻璃纖維增強復合材料(glass fiber reinforced polymer,GFRP)配筋預應力混凝土管樁(以下簡稱“PRC-G樁”),并進行了抗剪性能的對比試驗研究。試驗結果表明:GFRP筋與混凝土(C80)可以共同作用,能有效發揮材料的高強性能,GFRP筋的配置較大幅度地改善了普通管樁的抗剪性能,其開裂剪力有顯著的提高,是規范值的1.12倍;2種類型樁破壞過程相似,均是從支座處首先出現裂縫,沿樁長方向大致20°～30°夾角方向開展延伸,延伸至加載點垂直面時,以平行于樁長方向繼續擴展,最后形成貫通面;按等效圓形截面法計算PRC-G樁的開裂剪力是符合設計要求的,且偏于保守。

復合配筋;玻璃纖維增強復合材料(GFRP);管樁;開裂剪力;撓度

預應力混凝土管樁以其具有工業規模化生產、單樁承載力高、對工程地質條件適應性強、施工工期短、現場無污染等優點,已大量應用于工業與民用建筑、公路橋梁、港口等領域,成為我國應用最廣泛的樁型之一[1]。但預應力混凝土管樁也存在抗剪承載力低、抗震性能不足的缺點[2],因此在以水平荷載為主的支護工程中均難以采用普通的預應力混凝土管樁。現有國內外研究成果主要側重于管樁軸向受力性能[3-4]、抗彎性能[5-6]及管樁接頭[7]等方面的研究。

此外,在港口碼頭領域的工程應用中,銹蝕、劣化問題日益嚴重,其中樁身出現裂縫后內部鋼筋的銹蝕最為常見,影響結構的正常使用和壽命,還造成大量的安全和事故隱患[8]。

為解決上述問題,筆者創新研發了“含玻璃纖維增強復合材料(glass fiber reinforced polymer,GFRP)配筋預應力混凝土管樁”(以下簡稱“PRC-G樁”)[9],以提高預應力混凝土管樁的抗剪性能和耐久性。本文通過一系列原型樁抗剪試驗,對復合配筋(GFRP筋)預應力混凝土管樁的受力特性和破壞特征進行研究,并提出抗剪承載力相關設計計算公式。

1 試驗概況

本次試驗共進行2根樁抗剪試驗,樁長12 m,樁徑和壁厚分別為600、110 mm,復合配筋按圓截面均勻布置。2根試驗樁分別為PRC-G 600 110-12型PRC-G 600 AB樁和PRC 600 AB樁。其中，PRC-G樁生產采用現有流水作業的工藝流程及技術要求;PRC樁參照河南圖集《混合配筋預應力混凝土管樁》[10]相關參數進行生產制作。

PRC-G樁的樁身配筋橫剖面如圖1所示。

圖1 PRC-G樁斷面尺寸及配筋

2根試驗樁外徑D=600 mm,預應力鋼筋為1610.7,GFRP筋為1612,非預應力鋼筋為1612。GFRP筋和非預應力鋼筋的詳細物理力學參數[11]如下:

(1) GFRP筋。10 mm≤d<16 mm(d為公稱直徑),抗拉強度標準值fk≥650 MPa,剪切強度fv≥110 MPa,極限拉應變ε≥1.2%,彈性模量Ef≥40 GPa。

(2) HRB400。5 mm≤d<50 mm,fk=400 MPa,ε=7.5%。

試驗所用GFRP筋如圖2所示,具有輕質、抗拉強度高、耐腐蝕性好等特性。

圖2 GFRP筋

2 試驗裝置及方案設計

2.1 試驗裝置

試驗裝置參考國家標準(GB 13476)[12]與安徽省地方標準(DB 34 5005)[13]制作而成。試驗采用1 000 kN液壓千斤頂加載,撓度測量采用5 cm型數字位移計,應變觀測采用100 mm×3 mm型電阻應變片,采集裝置使用DH3815N分布式靜態應變測試系統。

抗剪試驗裝置示意圖如圖3所示。

圖3 抗剪試驗裝置示意圖

2.2 加載方式與分級

試驗加載方式根據文獻[12]確定。按抗裂剪力的20%的級差由0加載至抗裂剪力的80%,每級荷載的持續時間為3 min;然后按抗裂剪力的10%的級差繼續加載至抗裂剪力的100%,每級荷載的持續時間為3 min,觀察是否有裂縫出現,測定并記錄裂縫寬度。如果在抗裂剪力的100%時未出現裂縫,那么按抗裂剪力的5%的級差繼續加載至裂縫出現,每級荷載的持續時間為3 min,測定并記錄裂縫寬度。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗結果對比分析

荷載加載至798.1 kN,PRC-G 600 AB樁出現裂縫,此時跨中撓度4.59 mm,繼續加載至916.4 kN,形成貫通的破裂面,此時跨中變形為5.71 mm。

對PRC 600 AB樁,加載至790.6 kN時出現裂縫,跨中撓度4.17 mm;繼續加載至884.5 kN時,管樁破壞,此時跨中撓度為5.32 mm。

3.2 荷載-跨中撓度曲線分析

PRC-G 600 AB樁和PRC 600 AB的荷載-跨中撓度曲線圖如圖4所示,2根樁的樁身變形發展情況分別如圖5、圖6所示。

圖4 荷載-跨中撓度關系曲線

圖5 PRC-G 600 AB樁抗剪試驗撓度發展情形

圖6 PRC 600 AB樁抗剪試驗撓度發展情形

由圖5可以看出,PRC-G樁跨中變形量略大于兩端,破壞時PRC-G 600 AB樁的跨中撓度為5.71 mm;PRC-G樁各測點處的變形均以向下位移為主要趨勢,管樁呈現明顯“壓扁”的趨勢,可見玻璃纖維筋的配置可以增強管樁樁身的整體剛度。

由圖6可見,PRC樁跨中變形量略大于兩端,出現裂縫后繼續加載,跨中變形增大變快,撓度曲線出現凹形形狀,破壞時PRC 600 AB樁的跨中撓度為5.32 mm。與PRC樁相比,PRC-G樁的整體變形較好,各測點的撓度變形更均勻(圖6中曲線更加平順),說明玻璃纖維筋的配置能夠更好地和混凝土發揮協同作用。

3.3 破壞形態

PRC-G 600 AB樁和PRC-600 AB的裂縫分布情況如圖7、圖8所示。

圖7 PRC-G 600 AB樁的裂縫分布示意圖

圖8 PRC 600 AB樁的裂縫分布示意圖

由圖7可見,對于PRC-G 600 AB樁,在加載點與支座之間以剪應力為主的剪彎段內裂縫從右支座處首先出現,以大致30°方向為主,支座之間裂縫以中軸高度附近的水平向裂縫為主,形成貫通面。PRC-G樁裂縫貫通時現場圖如圖9所示。

圖9 PRC-G樁裂縫貫通現場圖

由圖8可以看出,PRC 600 AB樁和PRC-G 600 AB樁的裂縫分布具有一定的相似之處:在加載點與支座之間以剪應力為主的剪彎段內裂縫從右支座處首先出現,以大致20°方向為主,支座之間裂縫以中軸高度附近的水平向裂縫為主,形成貫通面。PRC 600 AB樁右支座處出現大致呈20°的剪切破碎帶,寬度約10 cm。PRC樁裂縫貫通時現場圖如圖10所示。

圖10 PRC樁裂縫貫通現場圖

3.4 抗剪性能試驗結果分析

600(110)AB各類型管樁開裂剪力對比如圖11所示。從圖11可見,PRC-G 600 AB型管樁的抗裂剪力明顯優于規范參考值,其中開裂剪力是規范值的1.12倍,可見玻璃纖維筋的加入顯著改善了普通管樁的抗剪性能;與PRC 600 AB型管樁相比,其開裂剪力和形成完整破裂面時剪力均基本相等。

圖11 600(110)AB各類型管樁抗剪性能對比

4 PRC-G樁開裂剪力設計計算

4.1 開裂剪力計算

開裂剪力計算參考文獻[10]中關于管樁抗剪承載力的計算公式,但混凝土有效預壓應力考慮GFRP筋作用。PRC-G樁的抗剪承載力按等效圓形截面法進行計算,計算示意圖如圖12所示。將環形截面按2個圓形截面(直徑分別為樁身外徑和內徑)等效成矩形截面,按文獻[14]規定的有關計算公式,兩者的抗剪承載力之差即為管樁的抗剪承載力。

圖12 等效圓形截面法

Vu≤0.7ft(AD-Ad)+1.0fyvAsvh0/S+ 0.05(AD-Ad)σpc

(1)

AD-Ad=2.816(D2/4-d2/4)

(2)

h0=1.6D/2=0.8D

(3)

其中,Vu為PRC-G樁抗剪承載力設計值;ft為混凝土軸心抗拉強度設計值;D為樁身外徑;d為樁身內徑;AD為管樁外截面積;Ad為管樁內截面積;fyv為箍筋抗拉強度設計值;Asv為配置在同一截面處箍筋的橫截面面積;S為箍筋的間距;σpc為混凝土有效預壓應力。

抗裂剪力的計算同抗剪承載力計算,但忽略箍筋的影響,混凝土采用抗拉強度標準值,計算公式為:

Vcr≤0.7ftk(AD-Ad)+0.05(AD-Ad)σpc

(4)

其中,Vcr為PRC-G樁抗裂剪力設計值;ftk為混凝土軸心抗拉強度標準值。

4.2 開裂剪力理論計算結果和試驗結果對比

按(4)式計算開裂剪力Vcr,并與試驗值V比較,得出:

V/Vcr=1.18

(5)

因此,采用(4)式進行PRC-G樁開裂剪力設計計算是可行的,并稍偏于保守。

5 結 論

本文通過一系列原型試驗,對復合配筋(GFRP筋)預應力混凝土管樁的抗剪性能進行了研究,得出以下幾點結論:

(1) GFRP筋與混凝土(C80)可以共同作用,能有效發揮材料的高強性能。

(2) GFRP筋的配置較大幅度地改善了預應力混凝土管樁的抗剪性能。PRC-G 600 AB樁的開裂剪力是國家標準參考值的1.12倍,與PRC 600 AB樁的抗裂剪力基本相等。

(3) GFRP筋的配置對管樁的抗剪破壞形態影響不大,PRC-G樁和PRC樁破壞過程相似,均是從支座處首先出現裂縫,沿樁長方向大致20°～30°夾角方向開展延伸,延伸至加載點垂直面時,以平行于樁長方向繼續擴展,最后形成貫通面。

(4) 提出了復合配筋(GFRP筋)預應力混凝土管樁開裂剪力的理論計算公式,試驗值與計算值之比為1.18,因此計算是可行的,并稍偏于保守。

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[12] 中國建筑材料聯合會.先張法預應力混凝土管樁:GB 13476—2009 [S].北京:中國標準出版社,2009:附錄B.

[13] 安徽省建筑科學研究設計院,合肥工業大學建筑設計研究院.先張法預應力混凝土管樁基礎技術規程:DB34 5005—2014 [S].合肥:[s.n.],2014:8-10.

[14] 中國建筑科學研究院.混凝土結構試驗方法標準:GB 50102—2012 [S].北京:中國建筑工業出版社,2012:10-14.

Experimentalstudyofshearpropertiesofprestressedconcretepipepilewithglassfiberreinforcedpolymer

WU Ping1,2, GUO Yang1, ZHU Dayong2

(1.Anhui Institute of Building Research and Design, Hefei 230001, China; 2.School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The shear properties of innovatively developed prestressed concrete pipe pile with glass fiber reinforced polymer(GFRP), which is called PRC-G pile, are studied through contrast test. The results show that GFRP can be exerted the high strength properties through joining with concrete(C80) by the common power mechanisms. Moreover, GFRP evidently improves the shear properties of the pile, and the anti-cracking shear capacity increases significantly, which is 1.12 times than that of standard value. The failure process of two types of pipe pile is similar, cracks appear firstly at the joints, outspreading roughly in the direction of 20°-30° angle with pile length. When cracks extend to the vertical plane of the loading point, they continue to expand in the pile length direction and form the through surface finally. The PRC-G anti-cracking shear capacity calculated according to the equivalent circular cross section method is in conformity with the design requirements with a bit bias towards being conservative.

composite reinforcement; glass fiber reinforced polymer(GFRP); pipe pile; anti-cracking shear capacity; deflection

2017-01-09；

2017-03-28

安徽省建設行業科學計劃資助項目(2015YF-30)

吳 平(1988-),男,安徽肥西人,安徽省建筑科學研究設計院工程師,合肥工業大學碩士生;郭 楊(1979-),男,安徽肥東人,安徽省建筑科學研究設計院正高級工程師;朱大勇(1965-),男,安徽樅陽人,博士,合肥工業大學教授,博士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.10.018

TU473.13

A

1003-5060(2017)10-1394-05

(責任編輯 張淑艷)